Abstract
BackgroundThe coverage of the atelocollagen membrane at the chondral defect after subchondral drilling might improve the beneficial effects for cartilage repair because of the prevention of scattering and accumulation of cells and growth factors from bone marrow within the chondral defect. On the other hand, it might block cells and factors derived from the synovium or cause high pressure in the chondral defect, resulting in prevention of cells and growth factors gushing out from the bone marrow, which leads to disadvantages for cartilage repair.MethodWe tested this hypothesis in a 2-mm-diameter chondral defect created in the articular cartilage of the patellar groove in a rat models. Defects were left untreated, or were drilled or drilled and covered with an atelocollagen membrane; healing was evaluated by histology and gene expression analysis using real-time polymerase chain reaction and immunohistochemistry.ResultsMembrane coverage induced bone tissue ingrowth into the punched chondral defect. At 1 week, expression of TGFβ, Sox9, Runx2, osteocalcin, Col1a1, and Col2a1 in the drilling group was significantly higher than in the covering group. At 4 weeks, expressions of TGFβ, Runx2, and Col1a1 were all significantly higher in the drilling group, while Sox9, osteocalcin, and Col2a1 were significantly higher in the covering group. Immunohistochemistry demonstrated Sox9, osteocalcin, and type II collagen on the bony reparative tissue in the covering group.ConclusionsThese results suggest that the atelocollagen membrane coverage resulted in inhibition of cartilage repair.
Highlights
Treatment of cartilage defects by subchondral drilling combined with covering with atelocollagen membrane induces osteogenesis in a rat model. (軟骨下ドリリングを施行したラット膝関節軟骨欠損をアテ ロコラーゲン膜にて被覆すると、欠損部に骨新生が誘導され る) Journal of Orthopaedic Science, Volume 18, pp 627-635, 2013
られず,骨組織の新生を生じた。TGF-βは,Runx2の機能を抑制することによ り,骨芽細胞の分化を抑制する一方,軟骨細胞の増殖を促進するとされる。ま た,Runx2は,未熟軟骨細胞→成熟軟骨細胞への分化を促進する一方,未熟骨 芽細胞→成熟骨芽細胞→骨細胞への分化を抑制するとされる。このことから, TGFβ,Runx2の発現の抑制により,軟骨形成は抑制され,骨形成に傾くと考え られる。本研究では,術後1週において全てのfactorの発現が被覆により抑制さ れていたが,術後4週においては,軟骨形成因子であるSox9,Col2a1の発現が亢 進する一方,骨形成因子であるOsteocalcinの発現も亢進を認めた。また,TGF-β, Runx2については術後1週,4週ともに発現が抑制されており,これらにより組 織学的レベルでは軟骨形成が抑制・骨形成が促進され,結果として欠損部の軟 骨修復に有利には作用しなかったと推察された。RCP膜による軟骨欠損部の被覆 により,骨髄由来成分の関節液内への拡散を阻止できる一方, 関節内成分の軟 骨欠損部への浸入が阻止されたため,骨形成に優位に働いたと推察した。
Summary
【目的】関節軟骨損傷に対する軟骨下骨のdrillingは,出血により軟骨損傷部に 骨髄由来成分を誘導し, 線維軟骨の形成を促すことで損傷部の修復をもたらす。 しかしながら,多くの場合,修復は線維軟骨によってもたらされ,硝子軟骨の 再生は得られない。その理由の一つとして,drillingによる出血の一部は関節液 内に拡散し,軟骨損傷部に充分な骨髄由来成分が留まらないことが考えられる。 今回我々は,ラット膝関節の軟骨欠損部にdrillingを施した後,アテロコラーゲ ン膜にて被覆し, 軟骨形成に対する影響を検討した。 【方法】12週齢Sprague-Dawleyラットの膝関節を内側アプローチにて展開し, patella grooveにφ2mm biopsy punchにて軟骨欠損を作成した後,(1)軟骨欠損 のみのcontrol群(2)軟骨下骨にφ2mm drillにて深さ5mmのdrillingを5ケ所施し たdrilling群(3)(2)と同じ方法で軟骨下骨にdrillingを施した後, 軟骨欠損部 周囲をrecombinant peptide(RCP)膜で被覆したcovering群,を作成した。術後1 週,4週で治療群の軟骨欠損部に生じた組織を採取し,real-time PCRにてTGF-β, Sox9, Runx2, Osteocalcin, Col1a1, Col2a1のmRNAの発現を調べた。 また術後 4週でcontrol群, drilling群, covering群の肉眼所見の評価,saflanin O染色 による組織学的評価,及びPineda’s scoreを用いた再生組織の評価を行った。ま たDAB法を用いTGF-β, Sox9, Runx2, Osteocalcin, TypeIcollagen, TypeII collagenの免疫染色を行った。【結果】Real-time PCRでは,1週で全ての項目が drilling群で有意に高値であったが,4週ではTGF-β, Runx2, Col1a1がdrilling 群,Sox9, Osteocalcin, Col2a1がcovering群で有意に高値であった。術後4週 の肉眼所見は,control群で表面平滑な半透明組織,drilling群で表面平滑な正 常軟骨様組織,covering群で表面不整な骨組織様組織を認めた。Saflanin O染 色では,control群で線維性組織drilling群で線維性組織の深層に硝子軟骨様組 織,covering群で骨性組織を認めた。Pineda’s scoreはcontrol群は平均11点, drilling群は平均6.2点,covering群は平均12.7点で3群間に有意差を認めた。 免疫染色では,TGF-βはcontrol群,covering群では免疫活性を認めず,drilling 群では再生軟骨より表層に免疫活性を認めた。Sox9はcontrol群では再生線維組 織の深層,drilling群では再生軟骨部,covering群では再生骨組織に免疫活性 を認めた。Runx2は,control群では免疫活性を認めず,drilling群では再生軟 骨,covering群では再生骨組織の浅層に免疫活性を認めた。Osteocalcinは, control群では再生線維組織の浅層,drilling群では再生軟骨,covering群では 再生組織全体に免疫活性を認めた。Col1a1は,control群では免疫活性を認めず, covering群では再生線維組織,covering群では再生骨組織の浅層に免疫活性を 認めた。Col2a1は,control群では免疫活性を認めず,drilling群では再生軟骨, covering群では再生骨組織に免疫活性を認めた。 【考察・結論】軟骨欠損に対しdrilling後に被覆を行った場合, 軟骨再生は得.
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